单片机的智能灌溉装置控制系统设计
摘 要本文主要围绕“智能灌溉控制系统”进行了全方位的介绍，不仅对这种系统的起源发展背景以及国内外的研究现状做了综合分析，更在此基础上制定了本文的设计目标。本文选用的主要控制器芯片是目前单片机市场上最畅销的AT89C51单片机，并结合了其他必要的功能芯片，设计出了一款能够实现土壤湿度准确检测并且快速制定出灌溉计划等功能的智能灌溉控制系统，该系统不仅在硬件上突破了目前相关产品的成本消耗，更将硬件系统结构简化到最精，大幅度地降低了电能消耗、提高了待机时长，另外由于采用了普及程度较为广泛的C语言进行了程序代码的设计和开发，因此大大减少了软件系统的设计周期。本文最终通过实物制作对所设计的系统进行了全面的调试，对各种性能指标进行了检验，检验结果显示系统的各项性能完全达标。
目 录
一、 引 言 1
（一） 智能灌溉技术的发展背景 1
（二） 土壤湿度检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 控制芯片的选取 3
（二） AT89C51单片机 4
（三） 土壤湿度传感器 5
（四） AD采样芯片简介 5
（五） LCD1602字符点阵介绍 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 智能灌溉系统的系统原理框图设计 7
（二） 最小系统设计 7
（三） 土壤湿度传感器电路设计 8
（四） AD采样芯片电路设计 9
（五） 水泵开关电路设计 10
（六） LCD1602字符点阵屏幕电路设计 10
（七） 蜂鸣器报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 智能灌溉系统的软件工作流程设计 12
（二） AD转换工作流程设计 13
（三） LCD1602字符点阵屏幕驱动流程设计 15
（四） 水泵开关控制流程图设计 15
五、 实物制作与调试 17
总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
附录一
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
原理图 22
附录二 元件列表 23
附录三 源程序 24
引 言
智能灌溉技术的发展背景
本文将对具有智能灌溉功能的单片机控制系统进行设计，在此之前需要对这种控制系统的发展背景以及发展现状进行详细介绍，通过互联网以及图书馆中查阅的资料显示，灌溉技术在人类历史上经历了一段很长时间的发展和演变，从最开始的人工灌溉到如今的智能灌溉，这期间蕴含了人类巨大的智慧。早在很久以前的古代中国，由于重农抑商思想的影响，农业在中华五千年文明中得到不断地发展和成熟，伴随着农业的发展，传统农业灌溉技术在这过程中也实现了自身的不断发展，虽然该技术在不断发展，但是传统灌溉技术仍旧停留在人工灌溉阶段，随着科学技术的不断发展，这种传统的灌溉技术逐渐的退出历史的舞台。十九世纪后半叶，电子技术以及单片机应用技术发展后，产生了一些简易自动灌溉控制系统的雏形，人类至此步入了传感器技术时代。传感器是一种能够实现非电量转换为电量的电子模块，这种传感器中往往包含了一片特性能够随土壤湿度发生变化的半导体材料，这块材料在接触到土壤中的水分后，电阻值大小迅速发生线性变化，通过后续的电路网路的作用，将这种变化转换成电压量的变化，从而就制成了土壤湿度传感器。在单片机技术成熟后，通过土壤湿度传感器与单片机的合理搭配，设计者就设计出了很多不同性能的自动灌溉系统，由于土壤湿度传感器能够自动快速地实现对土地含水量的检测，通过微处理器的处理作用能够计算出农作物对水的需求量，从而快速制定出灌溉计划，这一整套过程几乎可以不受人的干预，大大节省了人力物力，并且灌溉效果远比传统灌溉方法好，因此实现了快速地普及和发展，本文就选用了AT89C51单片机作为主控单片机，设计了一款能够实现自动灌溉的单片机控制系统。
土壤湿度检测的国内外发展现状
前不久英国肯特大学的一个实验研究小组在互联网上发布了他们的最新研究成果——能够实现土壤湿度检测的片上系统，也就是说他们能够将庞大的土壤湿度检测探头部分与控制器等重要部分集成到一块半导体芯片中，并且在使用时也无需担心探头的发热问题，设计者在芯片底部设计了一款大面积的低沉散热片，通过该散热片，探头所产生的热量能够被快速耗散，不会对检测结果进行影响；而国内对于湿度的检测则主要是将研究重心放在了检测精度上，足够高的精度能够满足航天领域等高科技场所的严格要求。
本文主要研究内容
本文提出了采用8位型51单片机作为主控核心的智能灌溉控制系统，通过将这种性价比超高并且带有高稳定性性能的芯片嵌入到这种系统中，能够大幅度地降低目前市场上相关产品的生产成本，并且在很大程度上改进了相关产品所存在的普遍缺点。在论文的结构安排上，文章的第一章主要通过到图书馆以及互联网查阅资料对智能灌溉控制系统的发展背景进行了简要的阐述，并对目前国内外相关院校、企业或者兴趣小组的研究成果进行了调查与对比，从而分析出他们的研究现状；文章的第二章快速确定了智能灌溉控制系统的主控核心单片机即51单片机，该核心确立后，通过查阅大量资料，选择出了单片机外围模块所要使用的型号，并对其性能特点进行了简要介绍；文章的第三章是智能灌溉控制系统的硬件设计章节，在这一部分，将详细描述控制系统的硬件结构以及各个模块电路的设计过程；文章的第四章是软件设计章节，在这一部分，将通过流程图形式对程序的设计过程进行详细的分析。本文研究内容如下：
1、快速测量土壤中的湿度，通过51单片机对YL69温湿度传感器的灵活驱动，实现对土壤中水分的准确检测，并通过液晶屏对该参数进行显示；
2、具有湿度阀值可设定功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，立即启动灌溉系统。用户可通过按键实现湿度阀值的设定，在运行过程中51单片机根据实际湿度与阀值的比较，对灌溉系统进行启闭，从而实现灌溉自动化。
3、具有报警功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，系统发出报警信号。该部分主要通过有源蜂鸣器以及蜂鸣器驱动器实现，单片机输出相应的电平实现对蜂鸣器启闭的控制，从而实现报警信号的发出。
方案选择及元器件介绍
控制芯片的选取
本章主要进行系统控制芯片的选取和各器件的相关介绍，首先我从大学期间接触过的几款单片机中选取了两款进行了细致的比较和考核，最终决定从这两款单片机中选择其中一个作为本次毕业设计的主控单片机，第一款单片机是我学习过程中接触到的一款高性能单片机STM32，其内核架构采用了M3系列的ARM，该单片机由意法半导体公司推出，是一款典型的32位微处理器，其中我对F103Z系列有过一段短暂的学习和使用经历；第二款单片机是美国ATMEL公司推出的AT89C51单片机，对于这款芯片我已经有了近三年的学习经验。
如果采用STM32单片机作为本文的主控单片机，那么将带来三大方面的优势，首先最主要的是STM32单片机内部采用了高稳定度的PLL（锁相环）技术，这使得它能够在外部施加较低振荡频率的晶振时，就能够以80M以上的主频进行稳定工作，其中PLL能够使得外部晶振输出的频率进行倍频，并且倍数能够灵活的通过软件进行控制，如此高的主频配合了其32位数据处理宽度的特性，使得STM32在做一些中高速的数字信号处理时能够表现出非常高的灵活度和精确度，该单片机在一定程度上代表了当前单片机世界的最高水平；第二大优势是其内部丰富的资源模块，就以我熟悉的F103Z型号单片机来说，其内部具有数十路高速AD采样通道，同时内部集成了一个内置的温度采集模块，另外高性能多用途的UART、CAN以及SPI等常用接口也被集成在同一片内，如果将STM32应用于本系统，能够大大地降低系统的外形体积以及相关模块的消耗，并且对于电路的构建也能够带来相当大的便利；第三大优势要说到它的学习资料丰富性，由于STM32单片机目前代表着单片机的先进水平，因此国内外学习者众多，因此无论是图书馆还是网络上，都能够找到其各方面的开发资料，非常有利于本毕业设计的成功完成，图21为STM32单片机的外形图。
目 录
一、 引 言 1
（一） 智能灌溉技术的发展背景 1
（二） 土壤湿度检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 控制芯片的选取 3
（二） AT89C51单片机 4
（三） 土壤湿度传感器 5
（四） AD采样芯片简介 5
（五） LCD1602字符点阵介绍 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 智能灌溉系统的系统原理框图设计 7
（二） 最小系统设计 7
（三） 土壤湿度传感器电路设计 8
（四） AD采样芯片电路设计 9
（五） 水泵开关电路设计 10
（六） LCD1602字符点阵屏幕电路设计 10
（七） 蜂鸣器报警电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 智能灌溉系统的软件工作流程设计 12
（二） AD转换工作流程设计 13
（三） LCD1602字符点阵屏幕驱动流程设计 15
（四） 水泵开关控制流程图设计 15
五、 实物制作与调试 17
总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
附录一
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
原理图 22
附录二 元件列表 23
附录三 源程序 24
引 言
智能灌溉技术的发展背景
本文将对具有智能灌溉功能的单片机控制系统进行设计，在此之前需要对这种控制系统的发展背景以及发展现状进行详细介绍，通过互联网以及图书馆中查阅的资料显示，灌溉技术在人类历史上经历了一段很长时间的发展和演变，从最开始的人工灌溉到如今的智能灌溉，这期间蕴含了人类巨大的智慧。早在很久以前的古代中国，由于重农抑商思想的影响，农业在中华五千年文明中得到不断地发展和成熟，伴随着农业的发展，传统农业灌溉技术在这过程中也实现了自身的不断发展，虽然该技术在不断发展，但是传统灌溉技术仍旧停留在人工灌溉阶段，随着科学技术的不断发展，这种传统的灌溉技术逐渐的退出历史的舞台。十九世纪后半叶，电子技术以及单片机应用技术发展后，产生了一些简易自动灌溉控制系统的雏形，人类至此步入了传感器技术时代。传感器是一种能够实现非电量转换为电量的电子模块，这种传感器中往往包含了一片特性能够随土壤湿度发生变化的半导体材料，这块材料在接触到土壤中的水分后，电阻值大小迅速发生线性变化，通过后续的电路网路的作用，将这种变化转换成电压量的变化，从而就制成了土壤湿度传感器。在单片机技术成熟后，通过土壤湿度传感器与单片机的合理搭配，设计者就设计出了很多不同性能的自动灌溉系统，由于土壤湿度传感器能够自动快速地实现对土地含水量的检测，通过微处理器的处理作用能够计算出农作物对水的需求量，从而快速制定出灌溉计划，这一整套过程几乎可以不受人的干预，大大节省了人力物力，并且灌溉效果远比传统灌溉方法好，因此实现了快速地普及和发展，本文就选用了AT89C51单片机作为主控单片机，设计了一款能够实现自动灌溉的单片机控制系统。
土壤湿度检测的国内外发展现状
前不久英国肯特大学的一个实验研究小组在互联网上发布了他们的最新研究成果——能够实现土壤湿度检测的片上系统，也就是说他们能够将庞大的土壤湿度检测探头部分与控制器等重要部分集成到一块半导体芯片中，并且在使用时也无需担心探头的发热问题，设计者在芯片底部设计了一款大面积的低沉散热片，通过该散热片，探头所产生的热量能够被快速耗散，不会对检测结果进行影响；而国内对于湿度的检测则主要是将研究重心放在了检测精度上，足够高的精度能够满足航天领域等高科技场所的严格要求。
本文主要研究内容
本文提出了采用8位型51单片机作为主控核心的智能灌溉控制系统，通过将这种性价比超高并且带有高稳定性性能的芯片嵌入到这种系统中，能够大幅度地降低目前市场上相关产品的生产成本，并且在很大程度上改进了相关产品所存在的普遍缺点。在论文的结构安排上，文章的第一章主要通过到图书馆以及互联网查阅资料对智能灌溉控制系统的发展背景进行了简要的阐述，并对目前国内外相关院校、企业或者兴趣小组的研究成果进行了调查与对比，从而分析出他们的研究现状；文章的第二章快速确定了智能灌溉控制系统的主控核心单片机即51单片机，该核心确立后，通过查阅大量资料，选择出了单片机外围模块所要使用的型号，并对其性能特点进行了简要介绍；文章的第三章是智能灌溉控制系统的硬件设计章节，在这一部分，将详细描述控制系统的硬件结构以及各个模块电路的设计过程；文章的第四章是软件设计章节，在这一部分，将通过流程图形式对程序的设计过程进行详细的分析。本文研究内容如下：
1、快速测量土壤中的湿度，通过51单片机对YL69温湿度传感器的灵活驱动，实现对土壤中水分的准确检测，并通过液晶屏对该参数进行显示；
2、具有湿度阀值可设定功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，立即启动灌溉系统。用户可通过按键实现湿度阀值的设定，在运行过程中51单片机根据实际湿度与阀值的比较，对灌溉系统进行启闭，从而实现灌溉自动化。
3、具有报警功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，系统发出报警信号。该部分主要通过有源蜂鸣器以及蜂鸣器驱动器实现，单片机输出相应的电平实现对蜂鸣器启闭的控制，从而实现报警信号的发出。
方案选择及元器件介绍
控制芯片的选取
本章主要进行系统控制芯片的选取和各器件的相关介绍，首先我从大学期间接触过的几款单片机中选取了两款进行了细致的比较和考核，最终决定从这两款单片机中选择其中一个作为本次毕业设计的主控单片机，第一款单片机是我学习过程中接触到的一款高性能单片机STM32，其内核架构采用了M3系列的ARM，该单片机由意法半导体公司推出，是一款典型的32位微处理器，其中我对F103Z系列有过一段短暂的学习和使用经历；第二款单片机是美国ATMEL公司推出的AT89C51单片机，对于这款芯片我已经有了近三年的学习经验。
如果采用STM32单片机作为本文的主控单片机，那么将带来三大方面的优势，首先最主要的是STM32单片机内部采用了高稳定度的PLL（锁相环）技术，这使得它能够在外部施加较低振荡频率的晶振时，就能够以80M以上的主频进行稳定工作，其中PLL能够使得外部晶振输出的频率进行倍频，并且倍数能够灵活的通过软件进行控制，如此高的主频配合了其32位数据处理宽度的特性，使得STM32在做一些中高速的数字信号处理时能够表现出非常高的灵活度和精确度，该单片机在一定程度上代表了当前单片机世界的最高水平；第二大优势是其内部丰富的资源模块，就以我熟悉的F103Z型号单片机来说，其内部具有数十路高速AD采样通道，同时内部集成了一个内置的温度采集模块，另外高性能多用途的UART、CAN以及SPI等常用接口也被集成在同一片内，如果将STM32应用于本系统，能够大大地降低系统的外形体积以及相关模块的消耗，并且对于电路的构建也能够带来相当大的便利；第三大优势要说到它的学习资料丰富性，由于STM32单片机目前代表着单片机的先进水平，因此国内外学习者众多，因此无论是图书馆还是网络上，都能够找到其各方面的开发资料，非常有利于本毕业设计的成功完成，图21为STM32单片机的外形图。
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